黃小芳, 林麗蓉,2,3?, 高 超, 丁樹文,2,3, 朱新遠(yuǎn), 郭靖東

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 430070, 武漢; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 430070, 武漢;3.國(guó)家環(huán)境保護(hù)土壤健康診斷與綠色修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 430070, 武漢; 4.湖北省水土保持監(jiān)測(cè)中心, 430071, 武漢)

我國(guó)于20世紀(jì)50年代開始土壤侵蝕模型的定量研究，在80年代引入美國(guó)通用土壤流失方程(USLE)后，許多學(xué)者開始以USLE模型為藍(lán)本，參考徑流小區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況對(duì)USLE模型進(jìn)行修正，并建立具有區(qū)域特征的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型[1-8]。吳發(fā)啟等[5]對(duì)黃土高原地區(qū)，楊子生[7]對(duì)滇東北山區(qū)分別進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型探索。其中，最典型且應(yīng)用范圍最廣的為劉寶元提出的中國(guó)土壤流失方程(Chinese soil loss equation，CSLE)[9]。CSLE模型是基于黃土丘陵溝壑區(qū)的安塞、離石、延安、子洲等地的徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并充分考慮我國(guó)水土保持措施和當(dāng)?shù)厮亮魇?shí)際情況而建立起來的。該模型是SL190—2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中確定水力侵蝕模數(shù)的重要方法之一，曾被用于第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查和第四次全國(guó)土壤侵蝕普查[10-12]。

CSLE模型的基本形式為：

A=RKLSBET。

(1)

式中：A為年均土壤流失量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/( hm2·MJ·mm)；L、S分別為坡度、坡長(zhǎng)因子或統(tǒng)稱為地形因子，量綱為1；B為植被覆蓋與生物措施因子，量綱為1；E為工程措施因子，量綱為1；T為耕作措施因子，量綱為1。

CSLE模型將USLE模型中的作物管理覆蓋(C)與水土保持措施(P)2大因子擴(kuò)展為植被覆蓋與生物措施(B)、工程措施(E)和耕作措施(T)3大水土保持措施因子，以反映我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水土保持狀況[13]；此外，CSLE模型中對(duì)陡坡的地形因子進(jìn)行改進(jìn)，使之更加符合我國(guó)地形地貌實(shí)際情況。

在CSLE模型中，T因子反映水土保持耕作措施對(duì)土壤侵蝕的作用[14]。T因子取值范圍為0～1，T因子值越小表明水土保持耕作措施效果越好[15]。目前，國(guó)內(nèi)T因子的研究主要集中在應(yīng)用CSLE模型進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)和消長(zhǎng)分析，T因子的時(shí)空異質(zhì)性以及T因子賦值系統(tǒng)等方面[16-19]。目前，T因子尚沒有統(tǒng)一的獲取方法，水利普查結(jié)果查詢、區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)查詢、土地利用類型劃分公式、徑流小區(qū)公式、坡度分級(jí)及水土保持耕作措施賦值這幾種方法均有應(yīng)用。而T因子獲取方法的不統(tǒng)一，在一定程度上影響區(qū)域之間的CSLE模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比。此外，部分學(xué)者在應(yīng)用CSLE模型時(shí)沒有充分考慮研究區(qū)的氣候、土壤、地形、耕作方式等區(qū)域差異性，而直接采用已有文獻(xiàn)其他地區(qū)的研究成果進(jìn)行T因子賦值[20-21]。研究表明，同一耕作措施水土保持效益因不同地區(qū)氣候、地形和土壤類型有所不同，T因子值差異較大[15,22]。這無疑會(huì)增加CSLE模型的計(jì)算誤差，無法客觀反映研究區(qū)的實(shí)際土壤侵蝕狀況，也不利于區(qū)域之間的土壤侵蝕量對(duì)比。

筆者基于已有相關(guān)研究成果，總結(jié)歸納水土保持耕作措施的定義、分類及水土保持耕作措施因子(T)的獲取方法，并比較各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，以期為今后開展區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)和比較不同水土保持耕作措施的水土保持效益提供參考依據(jù)。

1 水土保持耕作措施的定義及分類

水土保持耕作措施，是指通過改變微地形、增加地表覆蓋或改善土壤物理性質(zhì)等，提高土壤抗蝕性，防治土壤侵蝕的耕作栽培措施[23]。水土保持耕作措施分類是保證T因子正確獲取的重要基礎(chǔ)。USLE模型將水土保持耕作措施的影響歸在覆蓋與管理因子C和水土保持措施因子P中，而國(guó)內(nèi)學(xué)者在水土保持措施一級(jí)分類中將耕作措施單獨(dú)劃分出來，以充分體現(xiàn)我國(guó)農(nóng)地土壤侵蝕和水土保持耕作的特征[24]。GB/T 16453.1～6—2008《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》將耕作措施類型分為等高耕作、等高溝垅種植、壟作區(qū)田、掏缽(穴狀)種植、草田輪作、間作與套種、休閑地綠肥、留茬少耕、免耕和輪作等14類[25]。水土保持耕作措施的準(zhǔn)確分類，有利于我國(guó)T因子值確定的規(guī)范化，提高不同區(qū)域T因子值的可比性。

2 T因子值的獲取方法及計(jì)算

T因子值主要根據(jù)不同坡度條件下耕作措施減少水土流失的作用來確定的；但不同學(xué)者關(guān)于T因子值的計(jì)算存在不同的理解。有學(xué)者認(rèn)為T因子值等于采取某種耕作措施下的土壤流失量與同等條件下無耕作措施(裸地小區(qū))的土壤流失量之比[26]。也有研究將采取某種耕作措施的土壤流失量與同等條件下傳統(tǒng)耕作(一般指順坡平作或壟作)措施的土壤流失量之比作為T因子值[15，27]。由此可見，不同學(xué)者對(duì)T因子計(jì)算過程中對(duì)照小區(qū)還存在不同的理解，而對(duì)照小區(qū)的不同選擇(或不統(tǒng)一)勢(shì)必影響T因子值的最終結(jié)果。

不同水土保持耕作措施，尤其是不同農(nóng)作物的輪作，對(duì)土壤流失的影響有明顯差異。T因子既可以反映水土保持耕作措施影響，也可以反映輪作措施形成的作物覆蓋影響。前者是通過耕作以改變微地形和增加地表覆蓋、土壤入滲等，進(jìn)而提高土壤抗蝕性能，達(dá)到保水保土和防治土壤侵蝕的方式[23]。后者(輪作)是指同一田塊有順序地在季節(jié)間或年份間輪換種植不同作物或復(fù)種組合的種植方式，反映作物生長(zhǎng)過程中覆蓋的影響，作物種類不同、種植結(jié)構(gòu)的時(shí)間和空間差異都會(huì)對(duì)土壤侵蝕有明顯影響[28]。當(dāng)土地利用類型是耕地時(shí)，應(yīng)考慮輪作的影響。根據(jù)我國(guó)主要農(nóng)作物(稻谷、小麥和玉米等10類)生長(zhǎng)期的降雨侵蝕力季節(jié)變化進(jìn)行修正可以得到T因子值[15]?；谏鲜鯰因子含義，筆者依據(jù)相關(guān)研究成果，總結(jié)以下幾種獲取T因子值的方法。

2.1 水利普查結(jié)果查詢法

2010—2012年，我國(guó)開展第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查，基于全國(guó)各地徑流小區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)T因子值進(jìn)行修正，并發(fā)布了區(qū)劃縣(市)的T因子參考值[29]。水利普查結(jié)果查詢法，主要是通過查詢研究區(qū)所屬的輪作制度分區(qū)類型，進(jìn)而在水利普查結(jié)果中查詢對(duì)應(yīng)的T因子值，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行T因子賦值。齊斐等[30]根據(jù)水利普查結(jié)果提供的措施因子參考值，研究沂蒙山區(qū)不同抽樣密度和推算方法對(duì)土壤侵蝕狀況及其精度的影響。李子軒等[31]基于CSLE模型，通過水利普查結(jié)果查詢法獲取T因子值用以對(duì)比全域覆蓋計(jì)算與抽樣單元推算法計(jì)算縣域土壤侵蝕模數(shù)的差異。Duan等[32]利用查詢法獲得不同作物輪作系統(tǒng)的作物輪作圖和T因子值，并使用不同作物輪作系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)T因子值進(jìn)行校正。該方法雖被廣泛應(yīng)用，但需要結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)的調(diào)查單元和徑流小區(qū)的數(shù)據(jù)資料對(duì)T因子值進(jìn)行校正。

2.2 區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)查詢法

2018年8月，水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心頒布《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》，其中全國(guó)輪作區(qū)分區(qū)參照《中國(guó)耕作制度70年》的區(qū)劃縣(市)名錄。當(dāng)土地利用為耕地時(shí)，學(xué)者可通過技術(shù)規(guī)定中查詢研究區(qū)所屬的輪作區(qū)代碼及其對(duì)應(yīng)的T因子值，并進(jìn)行賦值。如陳銳銀等[33]參考區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定，查找研究區(qū)輪作區(qū)名稱及代碼對(duì)T因子進(jìn)行賦值，從而計(jì)算四川省省級(jí)水土流失重點(diǎn)防治區(qū)土壤侵蝕狀況。石秀梅[34]在福建省重點(diǎn)治理區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究中，查詢區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定中研究區(qū)域內(nèi)的T因子值。劉桂成[35]從區(qū)域尺度下定量評(píng)價(jià)江西省土壤侵蝕及其空間分布中，經(jīng)查詢法獲取T因子值。區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)查詢法與水利普查結(jié)果查詢法的T因子賦值原理一樣，均根據(jù)輪作措施進(jìn)行賦值。該獲取方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此被普遍應(yīng)用于流域及區(qū)域尺度研究中，但是不同研究區(qū)的水土流失環(huán)境及田間具體管理措施不同，T值的準(zhǔn)確性難以保證。

2.3 土地利用類型劃分公式法

為減小查詢法獲取T值所產(chǎn)生的區(qū)域差異性，有學(xué)者根據(jù)高分辨率遙感影像的土地利用解譯和水利普查結(jié)果查詢法分別獲取研究區(qū)的土地利用狀況和耕作措施因子，并結(jié)合野外單元調(diào)查結(jié)果，通過加權(quán)平均方法得到不同土地利用類型的T因子值，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：T為某一土地利用類型的耕作措施因子值；Ti為某一耕作措施的T值；βi為某一耕作措施占該土地利用類型的面積比例，%；m為耕作措施的類別數(shù)。

楊韶洋[36]根據(jù)水土保持情況普查培訓(xùn)教材提供的措施因子值表，結(jié)合野外調(diào)查單元調(diào)查結(jié)果和計(jì)算式(2)，確定沂蒙山重點(diǎn)治理區(qū)不同土地利用的T因子值。陳美淇等[37]通過水蝕野外調(diào)查結(jié)合土地利用調(diào)查，按照比例平均分配計(jì)算T因子值。此外，Zhang等[38]參考水利普查結(jié)果的T因子值，通過加權(quán)平均法對(duì)山東省沂蒙山區(qū)沂水縣T因子值進(jìn)行計(jì)算。土地利用類型劃分公式法充分考慮各水土保持措施面積比例的影響，可應(yīng)用于小流域、流域、區(qū)域幾種較大尺度，但這種方法確定的T因子值易受遙感影像中土地利用/覆蓋類型解譯精度的限制。

2.4 徑流小區(qū)公式法

基于水土保持耕作措施因子值的定義，利用徑流小區(qū)觀測(cè)資料，可獲得不同地區(qū)相關(guān)的T因子值。但由于徑流小區(qū)坡度不一致，計(jì)算各種措施T因子值時(shí)，需要將研究區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所有徑流小區(qū)的土壤侵蝕量校正為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(20 m×5 m，坡度15°)的土壤侵蝕量[39]，校正公式為：

(3)

式中：Ai15為第i小區(qū)校正到標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的土壤侵蝕量，kg；Ai為第i小區(qū)的土壤侵蝕量，kg；S15為15°小區(qū)的坡度因子；Si為第i小區(qū)的坡度因子。其中，坡度因子S的計(jì)算方法是結(jié)合McCool等[40]的緩坡條件和劉寶元等[41]的陡坡條件下的坡度因子公式(式4)。

(4)

式中：S為坡度因子，量綱為1；θ為坡度，(°)。

范建榮等[42]在東北地區(qū)利用徑流小區(qū)公式法對(duì)大豆的順坡種植、橫坡種植和地梗植物帶的T因子值進(jìn)行計(jì)算和比較。郭繼成等[43]利用貴州龍里、遵義、畢節(jié)等地的野外徑流小區(qū)資料，將當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物(馬鈴薯和玉米)的生長(zhǎng)階段分為苗期、發(fā)育期、成熟期、殘茬期4個(gè)階段，并獲得各階段的土壤流失比及T因子值(0.005 2～0.834 1)。雖然用該方法獲取T因子值較為準(zhǔn)確，但僅適用于小區(qū)域、小范圍的研究，且需要對(duì)徑流小區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。

2.5 坡度分級(jí)法

當(dāng)因研究區(qū)面積過大，學(xué)者難以通過遙感影像和實(shí)地調(diào)查完整準(zhǔn)確獲得所有的水土保持耕作措施類型時(shí)，可以用坡度分級(jí)法獲取T因子值，即根據(jù)不同坡度條件下等高耕作減少的土壤侵蝕量來確定(沒有耕作措施的地方的T因子值為1)[44]。2006年，劉寶元[45]通過不同坡度條件下的等高耕作減少土壤流失量來獲取T因子值，對(duì)西北黃土高原區(qū)進(jìn)行了土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)。此后，眾多學(xué)者均參考該方法，分別對(duì)陜西[12]、廣西岑溪市和大化縣[46]、山西[47]、福建寧化縣謝家小流域[48]等地區(qū)進(jìn)行區(qū)域坡度分級(jí)，計(jì)算T因子值(表1)。通過坡度分級(jí)給T因子賦值，可以不依賴標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測(cè)，簡(jiǎn)單快速，但是需準(zhǔn)確獲取研究區(qū)域的坡度信息，并對(duì)研究區(qū)域坡度進(jìn)行合理的劃分。

表1 各地區(qū)坡度分級(jí)和T因子賦值Tab.1 Slope classification and T factor assignment in different regions

2.6 水土保持耕作措施賦值法

該方法基于郭乾坤等[15]的研究成果，通過收集多年的文獻(xiàn)資料和監(jiān)測(cè)資料，對(duì)全國(guó)水蝕區(qū)等高溝壟種植和壟作區(qū)田等耕作措施進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以區(qū)域差異不顯著分析結(jié)果為依據(jù)，最終得到適用于全國(guó)的主要T因子值。周曉瑩等[22]通過該方法獲取我國(guó)6個(gè)水土保持區(qū)的6種耕作措施的T因子值。該方法修訂和計(jì)算了我國(guó)主要T因子值(表2)，保證了第一次全國(guó)水力侵蝕普查的順利實(shí)施，但對(duì)其他耕作措施需要進(jìn)一步觀測(cè)和研究。

表2 我國(guó)水蝕區(qū)主要耕作措施的T因子值Tab.2 T factor values of main tillage measures in the water erosion area of China

3 不同T因子值獲取方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件

T因子反映了輪作制度形成的作物覆蓋和水土保持耕作措施對(duì)土壤侵蝕的影響。本文主要總結(jié)了6種T因子值的有關(guān)獲取方法，不同方法的考慮范圍、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍均有所不同(表3)。水利普查結(jié)果查詢法，因使用便捷，被廣泛應(yīng)用，但需結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)調(diào)查單元、徑流小區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)T因子值進(jìn)行校正；區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)查詢法，簡(jiǎn)單易獲取，但只針對(duì)我國(guó)主要10種農(nóng)作物，種植其他作物的T值將難以確定；土地利用類型劃分公式法便于計(jì)算，且可應(yīng)用于小流域、流域、區(qū)域尺度，但需要綜合遙感解譯和查詢法獲取土地利用和各種耕作措施的具體因子值，隨著尺度增大需要花費(fèi)較多的時(shí)間、精力、費(fèi)用等；徑流小區(qū)公式法是最基礎(chǔ)的方法，其用于獲取T因子值較為準(zhǔn)確，但對(duì)照小區(qū)和有措施小區(qū)需要定期維護(hù)管理和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)小區(qū)泥沙數(shù)據(jù)。對(duì)不同尺度的流域來說，徑流、土壤侵蝕和產(chǎn)沙量等都明顯不同，比較不同耕作措施對(duì)土壤侵蝕的影響很困難；坡度分級(jí)法可操作性強(qiáng)，不依賴標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，但需要對(duì)坡度進(jìn)行準(zhǔn)確提?。凰帘３指鞔胧┵x值法操作簡(jiǎn)單，便于查找，但缺乏其他主要耕作措施的校正，在不同研究區(qū)的準(zhǔn)確性與適用性有待考察。

表3 T因子估算方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍比較Tab.3 Comparison of advantages and disadvantages of T factor estimation method and its application scope

4 總結(jié)與展望

隨著國(guó)內(nèi)學(xué)者應(yīng)用CSLE模型開展水土流失研究的不斷深入，水土保持措施耕作因子作為CSLE模型較難準(zhǔn)確獲取的重要參數(shù)之一，其相關(guān)確定方法及計(jì)算應(yīng)用必須全面梳理。筆者較系統(tǒng)地回顧了前人有關(guān)T因子的研究成果，總結(jié)6種獲取T因子值的不同方法，并分析和比較了這些方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)T因子開展了大量研究，主要集中在：1)T因子值被應(yīng)用于CSLE模型中，用以評(píng)價(jià)和分析研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度和消長(zhǎng)趨勢(shì)等。2)T因子值的時(shí)空異質(zhì)性研究，不同學(xué)者研究表明，同一水土保持耕作措施因不同地區(qū)的氣候、地形和土壤類型不同，T因子值差異較大[15,22]；3)T因子賦值系統(tǒng)完善，我國(guó)學(xué)者對(duì)東北黑土區(qū)、北方土石山區(qū)、西北黃土高原區(qū)和南方紅壤丘陵區(qū)等水土保持區(qū)均有進(jìn)行研究，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)全國(guó)輪作制度區(qū)劃確定了主要作物的輪作因子值。

T因子值估算研究中，還需對(duì)以下4方面繼續(xù)深入研究。1)盡管全國(guó)輪作制度區(qū)劃及輪作措施均按照各地區(qū)主要10種農(nóng)作物進(jìn)行劃分賦值，但由于農(nóng)民耕作方式的自主性，土地利用方式并不統(tǒng)一，建議各地要結(jié)合本地區(qū)的輪作制度開展較長(zhǎng)期的徑流小區(qū)不同耕作措施的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以獲取能表征當(dāng)?shù)貙?shí)際水土流失狀況的T因子值；2)當(dāng)研究區(qū)為大尺度范圍時(shí)，需要結(jié)合全國(guó)輪作制度區(qū)劃對(duì)T因子進(jìn)行賦值，并綜合空間信息技術(shù)手段和野外實(shí)地調(diào)查對(duì)研究區(qū)域其他耕作措施的T因子進(jìn)行計(jì)算和查缺補(bǔ)漏，從而準(zhǔn)確獲取水土保持耕作措施效益；3)相關(guān)研究表明不少學(xué)者在水土流失相關(guān)研究中直接參考前人的T因子值進(jìn)行賦值，而沒有對(duì)其適用性與準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在今后的研究中建議充分考慮研究區(qū)域的特殊性以及所選擇方法本身的適用范圍，確保獲得的T因子值更準(zhǔn)確；4)不同學(xué)者通過徑流小區(qū)公式法計(jì)算T因子值時(shí)，因耕作措施的對(duì)照小區(qū)選擇不統(tǒng)一，導(dǎo)致實(shí)際獲取T因子值有差異，這方面需要進(jìn)一步探討。